【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業用水などスパイラル型膜エレメントにとって濁度の高い原水を前処理なしで供給しても、原水スペーサーの入口近傍には濁質が蓄積し難く、通水差圧の上昇を遅らせることができるスパイラル型膜エレメント、分離膜モジュール及び分離膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、海水の淡水化や、超純水、各種製造プロセス用水を得る方法として、逆浸透膜（ＲＯ膜）やナノ濾過膜（ＮＦ膜）を透過膜とするスパイラル型膜エレメントを用い、原水中からイオン成分や低分子成分を分離する逆浸透膜法が知られている。また低分子ないし高分子成分を分離したり、低分子成分ないし高分子成分の内、高分子成分のみを分離したりする限外濾過法や、微粒子を分離したりする精密濾過法においてもスパイラル型膜エレメントが用いられている。図５に例示されるように、従来から使用されている逆浸透膜におけるスパイラル型膜エレメントの一例は、透過水スペーサー５２の両面に逆浸透膜５１を重ね合わせて３辺を接着することにより袋状膜５３を形成し、該袋状膜５３の開口部を透過水集水管５４に取り付け、網状の原水スペーサー５５と共に、透過水集水管５４の外周面にスパイラル状に巻回することにより構成されている。そして、原水５６はスパイラル型膜エレメント５０の一方の端面側５ａから供給され、原水スペーサー５５に沿って流れ、スパイラル型膜エレメント５０の他方の端面側５ｂから濃縮水５８として排出される。原水５６は原水スペーサー５５に沿って流れる過程で、逆浸透膜５１を透過して透過水５７となり、この透過水５７は透過水スペーサー５２に沿って透過水集水管５４の内部に流れ込み、透過水集水管５４の端部から排出される。このように、巻回された袋状膜５３間に配設される原水スペーサー５５により原水経路が形成されることになる。
【０００３】
このような逆浸透膜スパイラル型エレメントを用いて海水の淡水化や、超純水、各種製造プロセス用水を得る場合、通常、原水の濁質などを除去する目的で前処理が行われている。この前処理を行うのは、逆浸透膜スパイラル型エレメントの原水スペーサーの厚みは、原水流路を確保しつつできる限り原水と逆浸透膜との接触面積を大きくとるため通常１ｍｍ以下と薄く、濁質が原水流路にある原水スペーサーに蓄積され、原水流路を閉塞し易い構造となっており、このため、予め原水中の濁質を除去して濁質蓄積による通水差圧の上昇や透過水量、透過水質の低下を回避し、長期間に亘り安定な運転を行うためである。このような除濁目的で用いられる前処理装置は、例えば、凝集沈殿処理、濾過処理及び膜処理などの各装置を含むものであり、これらの設置は、設置コストや運転コストを上昇させると共に、大きな設置面積を必要とするなどの問題を有していた。このため、従来例のような薄い原水スペーサーで原水流路を確保でき、従来と同等程度の脱塩率を維持できると共に、濁質が蓄積しない構造の原水スペーサーが開発されれば、工業用水や水道水が前処理なしで供給でき、システムの簡略化、設置面積の低減、低コスト化が可能となり、産業上の利用価値は極めて高いものとなる。
【０００４】
一方、スパイラル型膜エレメントの濁質による原水流路の閉塞を防止するため、従来の格子の網目状原水スペーサーの構造を改善した種々の提案がなされている。特開昭６４−４７４０４号公報には、波板形であって該波形が蛇行する形状の原水スペーサーを用いるスパイラル型膜エレメントが開示されている。この蛇行波形形状の原水スペーサーは成型が困難であると共に、スパイラル状に巻回する際、流路が潰れる可能性が大であり、実用的ではない。
【０００５】
特開平９−２９９７７０号公報には、第１の線材と第２の線材が互いに交差するように格子状に形成されてなり、第１の線材又は第２の線材が透過水集水管の長手方向と平行になるように原水スペーサーを配置する構造のものが開示されている。この構造の原水スペーサーによれば、原水が透過水集水管の長手方向と平行な方向にほぼ直線状に流れるため、圧力損失が低く、且つ原水の線速が大きくなり、原水中の濁質が蓄積し難くなる反面、集水管の長手方向に直角な方向に存在する線材が原水の流路を遮るため、当該線材や線材の交点部分に濁質が蓄積してしまい、やはり原水流路の閉塞を起こしてしまう。
【０００６】
特開平９−２９９９４７号公報には、原水スペーサーとして、厚さ２ｍｍ以上、５ｍｍ以下の合成樹脂のネットを用いるスパイラル型膜エレメントが記載され、原水スペーサーを厚くすることで、濁質の蓄積を防止している。しかし、原水スペーサーを厚くするだけでは、濁質の蓄積防止という点では大きな効果が期待できず、他方でスパイラル状物とした場合、１エレメント当たりの膜面積が小さくなってしまうという問題がある。
【０００７】
一方、特開２０００−４３７号公報には、集水管の軸線に垂直な方向における２交点の間隔Ｘは２〜５ｍｍの範囲にあり、集水管の軸線方向における２交点の間隔ＹはＸの１．１〜１．８倍の格子状の原水スペーサーを用いるスパイラル型膜エレメントが記載されている。しかし、この発明の目的、すなわち、格子状の目開きを特定形状とした目的は、逆浸透膜上における原水の流れをエレメントの周方向に拡散させてその逆浸透膜上における濃度分極層の厚みを低減し、透過水量を確保することにあり、原水流路における濁質の蓄積を防止するものではない。
【０００８】
特開平１１―１０４６３６号公報には、加圧した気液二層流を通常の原水の流れに対して逆の流れ方向で供給して逆浸透膜モジュールを逆洗する方法が開示されている。しかし、この逆洗方法は、中空糸型逆浸透膜モジュールの該中空糸膜面に付着した濁質の除去であり、スパイラル型逆浸透膜モジュールの原水スペーサーに付着した濁質の除去ではない。また、従来のスパイラル型逆浸透膜モジュールにこのような逆洗を適用したとしても、それなりの洗浄効果が認められるものの、長期間に亘る運転においては、やはり原水スペーサーの交点部分に濁質が徐々に蓄積する場合がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図６に示すように、従来提案されている原水スペーサーのうち、第１の線材６１と第２の線材６２とで構成される網目状構造６０のものは、いずれも、原水流路内に交点部分６４が存在し、これが原水の淀みを発生させることになり、長期間の使用においては濁質６３の蓄積が起ってしまい、通水差圧の上昇は避けられない。原水流路を確保しつつ、交点部分のない流路を形成するという観点から、原水の流入側から流出側に向かって直線状又は略直線状に延在する線材のみで形成される構造のものが最も好適なものであるが、線材同士を繋ぐ構造ではないため、工業的に製作することは困難である。一方、前処理を省略できることのメリットは多大なものがあるため、濁質の多少の蓄積は容認しつつ通水差圧の上昇を遅らせるようなものであっても使用価値はあり、蓄積された濁質をフラッシング等で除去できれば、更に使用価値は高められる。
【００１０】
従って、本発明の目的は、工業用水などスパイラル型膜エレメントにとって濁度の高い原水を前処理なしで供給しても、原水スペーサーの入口近傍には濁質が蓄積し難く、通水差圧の上昇を遅らせることができるスパイラル型膜エレメント、分離膜モジュール及び分離膜装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者は鋭意検討を行った結果、透過水集水管の外周面に袋状の分離膜を網目状原水スペーサーと共に巻回してなるスパイラル型膜エレメントにおいて、原水中の濁質が蓄積するのは主に原水スペーサーの入口側であること、入口側の交点数密度を低くすることにより、すなわち、網目を構成する線材の交点数密度が原水の流れ方向に沿って、漸次増加するか、または断続的に増加するものであれば、濁質の蓄積が原水スペーサー全体に亘り均一になること、濁質が均一に蓄積されることにより、入口側のみに蓄積するよりも、差圧の上昇速度が遅くなることなどを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明（１）は、透過水集水管の外周面に袋状の分離膜を網目状原水スペーサーと共に巻回してなるスパイラル型膜エレメントであって、該原水スペーサーは、原水スペーサーを構成する線材の交点数密度が、原水の流れ方向に沿って、漸次増加するか、または断続的に増加するものであるスパイラル型膜エレメントを提供するものである。例えば従来の網目状原水スペーサーを装着する逆浸透膜モジュールでは、原水中の濁質が蓄積するのは主に原水スペーサーの入口側であるため、通水差圧の上昇速度が速かった。これに対して本発明は濁質の蓄積が原水スペーサー全体に亘り均一であるため、通水差圧の上昇速度が遅くなる。このため、フラッシングを行なう回数が、通常よりも少なくて済み、その結果濃縮水をブローする時間が短くなると共に、透過水が得られない時間も短くなるため、回収率は向上する。
【００１３】
また、本発明（２）は、前記交点数密度は、前記交点数密度が最も高くなる部分において、原水スペーサー１ｍ２当たり５０，０００以上、３００，０００以下であり、交点数密度が最も低くなる部分において、原水スペーサー１ｍ２当たり５００以上、５０，０００未満である前記スパイラル型膜エレメントを提供するものである。かかる構成を採ることにより、用途あるいは使用条件に見合った好適な適宜の数値を選択して作製することができる。
【００１４】
また、本発明（３）は、前記スパイラル型膜エレメントを１個備える分離膜モジュールを提供するものである。かかる構成を採ることにより、分離膜モジュールに装着されたスパイラル型膜エレメントの原水スペーサーは原水流入側から濃縮水流出側にかけて必ず漸次増加するか、または断続的に増加しており、前記効果を確実に奏することができる。また、水処理施設内に搬入し易く、且つそのままの形態で処理ラインに装着できる。
【００１５】
また、本発明（４）は、透過水集水管の外周面に袋状の分離膜を網目状原水スペーサーと共に巻回してなるスパイラル型膜エレメントを原水の流れ方向に複数個連結してなる分離膜モジュールであって、該原水スペーサーは、原水スペーサーを構成する線材の交点数密度が、該分離膜モジュール基準として、原水の流れ方向に沿って漸次増加するか、または断続的に増加するものである分離膜モジュールを提供するものである。かかる構成を採ることにより、分離膜モジュールに装着された複数のスパイラル型膜エレメントにおいて、原水スペーサーの交点数密度は該分離膜モジュール基準として、原水流入側から濃縮水流出側にかけて必ず漸次増加するか、または断続的に増加しており、前記効果を確実に奏することができる。
【００１６】
また、本発明（５）は、前記交点数密度は、前記交点数密度が最も高くなる部分において、原水スペーサー１ｍ２当たり５０，０００以上、３００，０００以下であり、交点数密度が最も低くなる部分において、原水スペーサー１ｍ２当たり５００以上、５０，０００未満である前記分離膜モジュールを提供するものである。複数のスパイラル型膜エレメントが装着された分離膜モジュールにおいても、前記発明（２）と同様の効果を奏する。
【００１７】
また、本発明（６）は、前記分離膜モジュールを備える分離膜装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、海水の淡水化や、超純水、各種製造プロセス用水を得る場合、工業用水や水道水などスパイラル型膜エレメントにとって濁度の高い原水を前処理なしで供給でき、システムの簡略化、設置面積の低減、低コスト化が可能となり、産業上の利用価値は極めて高い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明のスパイラル型膜エレメントで用いられる網目状原水スペーサーとしては、原水スペーサーを構成する線材の交点数密度が、原水の流れ方向に沿って、漸次増加するか、または断続的に増加するものであれば、特に制限されない。本発明において、線材の交点数密度が漸次増加するとは、図１（Ａ）に示すように、原水流入側Ｘから濃縮水流出側Ｙに向けて、複数の第１線材１１と複数の第２線材１２で形成される交点数が低密度から高密度に連続的に変化しているものを言い、線材の交点数密度が断続的に増加するとは、図１（Ｂ）に示すように、原水流入側Ｘから濃縮水流出側Ｙに向けて、線材の交点数密度が一定領域の部分が複数あり（図１（Ｂ）ではｘ領域、ｘｙ領域、ｙ領域の３つ）、原水流入側Ｘの領域部分、例えばｘｙ領域の交点数密度は、隣接する濃縮水流出側Ｙの領域部分、図１（Ｂ）ではｙ領域の交点数密度より必ず低い場合を言う。従って、ｘ領域の交点数密度は、ｘｙ領域の交点数密度より低い。なお、図１（Ａ）、（Ｂ）共に原水の流れ方向に対する直角方向においては、同じ交点数密度である。また、図１（Ａ）、（Ｂ）共に、原水流入側直後の僅かな部分（原水スペーサーの全長Ｌの５ないし１０％）は、同じ交点数である低密度領域とすることが好ましい。
【００１９】
前記交点数密度は、前記交点数密度が最も高くなる部分において、原水スペーサー１ｍ２当たり５０，０００以上、３００，０００以下、好ましくは１ｍ２当たり５０，０００以上、２００，０００以下である。交点数密度が５０，０００未満では、乱流効果が不十分で、水質の極端な低下を招いてしまう。交点数が３００，０００を越えると、通水差圧が極端に上昇してしまい、所定厚さのスペーサーを製作することが困難となる。交点数密度が最も高くなる部分とは、図１（Ａ）に示すような交点数密度が漸次増加する場合、濃縮水流出側の端部から原水スペーサーの全長Ｌ（原水の流れ方向）の５ないし１０％相当の領域を言う。また、交点数密度が最も低くなる部分において、原水スペーサー１ｍ２当たり５００以上、５０，０００未満、好ましくは１ｍ２当たり５００以上、２０，０００未満である。５００未満では、原水流路が十分に確保できない。一方、５０，０００以上ではエレメントの濃縮水流出側が高密度になっていることと合わせて、通水差圧が極端に上昇すると共に、入口側への濁質の蓄積が顕著になってしまう。交点数密度が最も低くなる部分とは、図１（Ａ）に示すような交点数密度が漸次増加する場合、原水流入側の端部から原水スペーサーの全長Ｌ（原水の流れ方向）の５ないし１０％相当の領域を言う。
【００２０】
本発明において用いられる原水スペーサーの網目の形状としては、特に制限されないが、ひし形、四角形、六角形、楕円形および波形などが挙げられ、その線材同士の交差形態としては、特に制限されず、線材同士を織らずに接合した形態、平織りによる交差形態およびあや織りによる交差形態などが挙げられる。本発明において、交点とは、第１線材１１及び第２線材１２とが交わる点を言うが、例えば第１線材１１及び第２線材１２が波形の場合における交点のように、第１線材と第２線材が少し重なる部分を有するものであってもよい。また、第１線材及び第２線材の断面形状としては、特に制限されないが、例えば円形、三角形、四角形などが挙げられる。また、第１線材及び第２線材は同一寸法、同一断面形状のものが使用される。
【００２１】
原水スペーサーの厚さは、第１線材の径と第２線材の径を合わせたもの、若しくはそれよりも若干薄いものであり、０．４〜３．０ｍｍ、好ましくは０．５〜２ｍｍ未満の範囲である。厚さが０．４ｍｍ未満では、通水差圧の上昇を招くと共に、交点数密度に係らず濁質の蓄積が生じ易くなる。一方、厚さが３．０ｍｍを越えると、スパイラル状にした場合、１エレメント当たりの膜面積が小さくなり過ぎる。また、原水スペーサーの材質としては、特に制限されないが、ポリプロピレンやポリエチレンが、成形性やコスト面から好ましい。また、原水スペーサーの製造方法は、特に制限されず、公知の方法を適用できるが、押出成形法がコスト面び精度面からも好ましい。
【００２２】
本発明のスパイラル型膜エレメントは、透過水集水管の外周面に袋状の分離膜を前記網目状原水スペーサーと共に巻回してなる。巻回しは、１枚の袋状の分離膜を巻回したものであっても、複数の袋状の分離膜を巻回したもののいずれであってもよい。本発明のスパイラル型膜エレメントは精密濾過装置、限外濾過装置及び逆浸透膜分離装置などの膜分離装置に使用することができる。逆浸透膜としては、食塩水中の塩化ナトリウムに対する９０％以上の高い除去率を有する通常の逆浸透膜、及び低脱塩率のナノ濾過膜やルーズ逆浸透膜が挙げられる。ナノ濾過膜やルーズ逆浸透膜は脱塩性能を有するものの、通常の逆浸透膜よりも脱塩性能が低いもので、特にＣａ、Ｍｇ等の硬度成分の分離性能を有するものである。なお、ナノ濾過膜とルーズ逆浸透膜はＮＦ膜と称されることがある。
【００２３】
本発明の分離膜モジュールの例である逆浸透膜モジュールは、前記スパイラル型膜エレメントを１個備える第１の形態に係る逆浸透膜モジュール、及びスパイラル型膜エレメントを原水の流れ方向に複数個連結してなる第２の形態に係る逆浸透膜モジュールの２通りがある。第１の形態に係る逆浸透膜モジュールに用いる原水スペーサーは前述のものが使用される。一方、第２の形態における複数枚の原水スペーサーは、原水スペーサーを構成する線材の交点数密度が、該逆浸透膜モジュール基準として、原水の流れ方向に沿って漸次増加するか、または断続的に増加するものである。以下に、第２の形態に係る逆浸透膜モジュールの原水スペーサーにおいて、第１の形態に係る逆浸透膜モジュールの原水スペーサーと異なる点についてのみ主に説明する。この第２の形態における原水スペーサーの交点数密度の変化の状態を図２を参照して説明する。図２（Ａ）は２個のスパイラル型膜エレメントを原水の流れ方向に連結してなる逆浸透膜モジュールの模式図、（Ｂ）及び（Ｃ）は該エレメントで用いられる原水スペーサーの模式図である。図２中、逆浸透膜モジュール２０は原水流入側Ｘよりスパイラル型膜エレメント２１ａ、２１ｂを連結して装着したものであり、スパイラル型膜エレメント２１ａで用いられる原水スペーサーを（Ｂ）及び（Ｃ）では右側に、スパイラル型膜エレメント２１ｂで用いられる原水スペーサーを（Ｂ）及び（Ｃ）では左側にそれぞれ示したものである。すなわち、図２（Ｂ）の形態は逆浸透膜モジュール基準として原水の流れ方向に沿って漸次増加するものの例示であり、図２（Ｃ）の形態は逆浸透膜モジュール基準として原水の流れ方向に沿って、断続的に増加するものの例示である。
【００２４】
図２（Ｂ）において、スパイラル型膜エレメント２１ａの原水スペーサー１ａ及びスパイラル型膜エレメント２１ｂの原水スペーサー１ｂは、この２枚があたかも連続する原水スペーサーの如く、原水流入側Ｘから濃縮水流出側Ｙに向けて、複数の第１線材１１と複数の第２線材１２で形成される交点数が低密度から高密度に連続的に変化するものである。交点数密度の他の変化形態を示す図２（Ｃ）において、スパイラル型膜エレメント２１ａの原水スペーサー１ａは、線材の交点数密度が一定で且つ低密度であり、スパイラル型膜エレメント２１ｂの原水スペーサー１ｂは、線材の交点数密度が一定で且つ高密度である。なお、図２（Ｃ）における原水スペーサー１ａ、１ｂにおいて、線材の交点数密度が一定領域の部分が複数存在するものであってもよい。この場合、原水流入側Ｘの領域部分の交点数密度は、隣接する濃縮水流出側Ｙの領域部分の交点数密度より必ず低くなるようにする。また、第２の形態に係る逆浸透膜モジュールの原水スペーサーにおいて、交点数密度が最も高くなる部分及び最も低くなる部分の具体的数値は前述の第１の形態に係る原水スペーサーの数値範囲と同様であるが、交点数密度が漸次増加する場合、交点数密度が最も高くなる部分は、濃縮水流出側の端部から複数枚の原水スペーサーの合計長さ（原水の流れ方向）の５ないし１０％相当の領域を言い、交点数密度が最も低くなる部分は、原水流入側の端部から複数枚の原水スペーサーの合計長さ（原水の流れ方向）の５ないし１０％相当の領域を言う。
【００２５】
本発明の第２の形態に係る逆浸透膜モジュールとしては、例えば図３に示す構造を有する逆浸透膜モジュールが挙げられる。図３に示したように、透過水集水管３０の外周面に袋状の逆浸透膜３１を原水スペーサーと共にスパイラル状に巻きつけ、その上部を外装体３２で被覆する。そしてスパイラル状に巻きつけた逆浸透膜３１がせり出すのを防止するために、数本の放射状のリブ３３を有するテレスコープ止め３４が両端に取り付けられている。これらの透過水集水管３０、逆浸透膜３１、外装体３２、テレスコープ止め３４でひとつのスパイラル型膜エレメント３５を形成し、夫々の透過水集水管３０をコネクタ（図示せず）で連通して、ハウジング３６内にスパイラル型膜エレメント３５を複数個装填する。なお、スパイラル型膜エレメント３５の外周とハンジング３６の内周の間に隙間３７が形成されるが、この隙間３７をブラインシール３８で閉塞してある。なおハウジング３６の一端には原水をハウジング内部に流入するための原水流入管（図示せず）、また他端には透過水集水管３０に連通する処理水管（図示せず）および非透過水管（図示せず）が付設され、ハウジング３６、その内部部品および配管（ノズル）等で逆浸透膜モジュール３９が構成される。
【００２６】
このような構造の逆浸透膜モジュール３９で原水を処理する場合は、ハウジング３６の一端からポンプを用いて原水を圧入するが、図３において矢線で示したように原水はテレスコープ止め３４の各放射状のリブ３３の間を通って最初のスパイラル型膜エレメント３５内に侵入し、一部の原水はスパイラル型膜エレメント３５の膜間の原水スペーサーで区画される原水流路を通り抜けて次のスパイラル型膜エレメント３５に達し、他部の原水は逆浸透膜３１を透過して透過水となり当該透過水は透過水集水管３０に集水される。このようにしてスパイラル型膜エレメント３５に次々に原水が通り抜けて、逆浸透膜を透過しなかった原水は濁質及びイオン性不純物を高濃度で含む濃縮水としてハウジング３６の他端から取り出され、また逆浸透膜を透過した透過水は透過水として透過水集水管３０を介してハウジング３６外に取り出される。
【００２７】
本発明の実施の形態における逆浸透膜装置を図４を参照して説明する。図４は本例の逆浸透膜装置のフロー図である。図４中、逆浸透膜装置４０は、原水供給ポンプ４１と第１弁ｐを接続する原水供給第１配管４２と、第１弁ｐと本発明の交点数密度が増加する逆浸透膜モジュール４０Ａを接続する原水供給第２配管４３と、逆浸透膜モジュール４０Ａと、逆浸透膜モジュール４０Ａの透過水側に接続される弁ｓを有する透過水流出配管４４と、原水供給第１配管４２と逆浸透膜モジュール４０Ａの濃縮水流出側を接続する濃縮水流出第２分岐配管４５１と第２弁ｏを有する流れ方向転換用配管４５と、原水供給第２配管４３から分岐し、原水の流れ方向を逆方向とした場合の濃縮水が流出する弁ｑを有する濃縮水流出第２分岐配管４２１と、を備える。また更に濃縮水流出第２分岐配管４５１途中の弁ｒと、原水供給ポンプ４１の吐出側の原水供給第１配管４２から分岐する弁ｎを有するブロー配管４２２を備える。本例の逆浸透膜装置４０に直接供給される原水としては、工業用水、水道水及び回収水が挙げられる。原水の濁度としては、特に制限されないが、濁度２度程度であっても短期間に通水差圧が上昇することはない。また、原水には原水中に砂粒などの粗大粒子を含む場合、予め目の粗いフィルターを通した処理水やスケールやファウリングを防止するための分散剤を添加したものも含まれる。分散剤の添加により、原水スペーサーや膜面への濁質の蓄積を一層抑制することができる。分散剤としては、例えば市販品の「ｈｙｐｅｒｓｐｅｒｓｅ ＭＳＩ３００」、「ｈｙｐｅｒｓｐｅｒｓｅ ＭＤＣ２００」（共に、ＡＲＧＯ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ社製）が挙げられる。本発明の逆浸透膜装置によれば、従来、原水中の濁質を除去する目的で用いられていた凝集沈殿処理、濾過処理及び膜処理などの前処理装置の設置を省略することができる。このため、システムの簡略化、設置面積の低減、低コスト化が図れる点で画期的な効果を奏する。
【００２８】
次に、本例の逆浸透膜装置４０を用いて原水を処理する方法を説明する。先ず、第２弁ｏ、弁ｑ、ｎは閉、弁ｒはモジュール内を所定の圧力となるように調整され、第１弁ｐ及び弁ｓは開とする。原水は原水供給ポンプ４１により逆浸透膜モジュール４０Ａに供給される。原水は逆浸透膜モジュール４０Ａで処理され、濃縮水を濃縮水流出第１分岐配管４５１から得ると共に透過水流出配管４４から透過水を得る。この原水処理において、エレメントに装着された原水スペーサーは前述の如く、入口側の交点数密度が低いものであるため、原水中の濁質等の浮遊物質は入口側だけではなく、中央部及び濃縮水流出側にも蓄積する。通常交点数密度がどの部分も同じである原水スペーサーにおいては、入口側への濁質の蓄積が顕著であるため、このように交点数密度を原水の流れ方向に沿って増加させることによって、原水スペーサー全体に亘って、濁質の蓄積が均一化される。
【００２９】
このような運転を継続すると、速度は遅くても濁質の蓄積が顕著となり、通水差圧が上昇してしまう。このような場合、原水の処理運転を停止し、フラッシング工程を行なう。原水の処理運転の停止は、先ず始めに原水供給側の圧力を抜くことが好ましい。圧力を抜くには弁ｎの開放により行なう。この場合、透過水側の弁ｓは開としておく。原水供給側の圧力を抜くことで、それまで膜面を押さえ付けていた圧力が抜けるため、膜が若干浮くことになり、膜面及び原水スペーサーに蓄積する濁質を浮遊させることができる。圧力を抜く方法としては、特に制限されないが、瞬間的に、好ましくは１秒以内に弁が全開になるようにする。瞬間的に圧抜きをする方が、膜を浮かせ易く、また水撃作用による濁質排除効果も期待できる。また、圧力を抜く方法としては、濃縮水流出第２分岐配管４２１に付設した弁ｑを用いることができる。このように、圧力を弁ｑから抜く場合は、ブロー配管４２２と弁ｎとを省略することができる。また、透過水側の弁ｓを開とするのは、弁ｓが閉では膜間差圧がなくなり、膜を押さえ付けている力がなくなるため、例え原水供給側の圧力を抜いたとしても、膜が浮くことがないからである。原水供給側の圧力を抜いた後、弁ｎ、第１弁ｐ、弁ｓ及び弁ｒは閉、第２弁ｏ及び弁ｑを開とする。そして、透過処理における原水供給流量の約３倍流量の原水を急速に逆浸透膜モジュール内に濃縮水流出側より供給する。このフラッシングにより、原水スペーサー全体に亘り均一に蓄積した濁質は剥がれ易くエレメント外へ効率的に排出される。直前まで流れていた原水の流れ方向と同じ方向にフラッシングすると、多くの濁質は除去されるものの、交点部分に蓄積していた濁質はより押し付けられ、交点部分に強固に付着することになる。そして強固に付着した状態が長時間続くと、もはや物理的手段では除去できなくなり好ましくない。
【００３０】
前記フラッシングは、両方向から交互に２回以上、５回以下のフラッシングを行なうことが好ましい。フラッシング回数が１回では一方向のみのフラッシングとなり洗浄効果が十分ではなく、経時的に濁質が蓄積してしまう。一方、５回を越えると排水する水が多くなり、回収率の低減につながる。また、フラッシングの１回当たりの時間は、特に制限されないが、３０秒〜１２０秒が好ましい。３０秒未満では洗浄効果が不十分であり、１２０秒を越えるとブロー時間が長く、回収率の大幅な低下となる。また、フラッシングの際、圧縮空気を原水中に供給してもよい。圧縮空気を原水に混入させることにより、洗浄効率が一層高まる。圧縮空気の供給量は、特に制限されないが、原水と空気との体積割合が２：１〜１：２とするのが好ましい。
【００３１】
フラッシングを所定時間行なった後は、再度原水の処理を行なう。この場合、原水の流れ方向は、フラッシング工程の直前まで流れていた原水の流れ方向と同じ方向である。すなわち、第２弁ｏ、弁ｑ、ｎは閉、弁ｒはモジュール内を所定の圧力となるように調整され、第１弁ｐ及び弁ｓは開とし、原水は逆浸透膜モジュール４０Ａで処理される。このように、原水処理→フラッシング→原水処理→フラッシングを順次繰り返す。原水処理時間としては、１時間〜２４時間、好ましくは１時間〜１２時間である。原水処理時間が１時間未満であると切替弁の切替回数が多くなり、切替弁の寿命を極端に低下させると共に、回収率の低下につながる。また、２４時間を越えると、蓄積した濁質の除去効果が低減してしまう。原水処理からフラッシングに切り替える形態としては、毎回同じ時間経過後に流れ方向を変更する方法、所定の通水差圧に達した時点で変更する方法及びこの両者を組合わせて変更する方法が挙げられる。
【００３２】
また、本例の逆浸透膜装置においては、逆浸透膜モジュール４０Ａの後段に、逆浸透膜モジュール４０Ａの透過水を更に処理する後段逆浸透膜モジュールを配置してもよい（不図示）。この場合、後段逆浸透膜モジュールには濃縮水を原水供給ポンプの前に戻す戻り配管を備えることが好ましい。このような装置形態においては前段逆浸透膜モジュール４０Ａは本発明に係る逆浸透膜装置であり、後段逆浸透膜モジュールは従来の逆浸透膜装置である。このような逆浸透膜装置においては、前段逆浸透膜モジュール４０Ａで得られた一次透過水は後段逆浸透膜モジュールで処理され、透過水流出配管から二次透過水を得ると共に、二次濃縮水は戻り配管から原水供給ポンプの前に戻される。この二次濃縮水は既に前段逆浸透膜モジュール４０Ａで脱塩された透過水を後段逆浸透膜モジュールで濃縮されたものであり、原水に比べて導電率が低い。このため、二次濃縮水の全量を循環させることが可能となり、水回収率を向上させることができる。また、逆浸透膜装置は、従来型の装置で使用されている濁質除去のみを目的とした前処理装置の代わりに、本発明における濁質の除去が前記フラッシングで容易に行なえる逆浸透膜モジュールを前段に使用しているので、実質的に逆浸透膜を２段使用することになる。従来型の装置における前処理装置は当然脱塩機能がないので、逆浸透膜装置は従来型の逆浸透膜装置と比較して透過水の水質も格段に優れる。
【００３３】
【実施例】
実施例１
濁度２度、導電率２０ｍＳ／ｍの工業用水を下記仕様の逆浸透膜モジュールＡに通水し、下記運転条件下において、２０００時間の耐久運転を行った。逆浸透膜モジュールＡの性能評価は経時的に変化する通水差圧（ＭＰａ）を測定することで行った。その結果を図７に示す。
【００３４】
（逆浸透膜モジュールＡ）
図１（Ａ）に示す原水の流れ方向に沿って交点数が漸次増加する網目状のもので、交点数密度は交点数密度が最も高くなる部分が原水スペーサー１ｍ２当たり２００，０００、交点数密度が最も低くなる部分が原水スペーサー１ｍ２当たり１，０００、厚さが１．０ｍｍの原水スペーサーＡを作製した。次いで、この原水スペーサーＡを用いてスパイラル型膜エレメントＡを作製し、更に図３に示すような構造の逆浸透膜モジュールＡを作製した。但し、該逆浸透膜モジュールＡは１個のスパイラル型膜エレメントを収納した１個のモジュールとした。
（運転条件）
操作圧力が０．７５ＭＰａ、濃縮水流量が２．７ｍ３／時間、水温が２５℃である。
【００３５】
実施例２
逆浸透膜モジュールＡの代わりに、下記に示す仕様の逆浸透膜モジュールＢを用いた以外、実施例１と同様の運転方法で２０００時間の耐久運転を行った。逆浸透膜モジュールＢの性能評価は実施例１と同様、経時的に変化する通水差圧（ＭＰａ）を測定することで行った。その結果を図７に示す。
（逆浸透膜モジュールＢ）
原水スペーサーＡに代えて、図１（Ｂ）に示す交点数が断続的に増加する網目状のもので、交点数密度はｘ領域（交点数密度が最も低くなる部分）が原水スペーサー１ｍ２当たり１，０００、ｘｙ領域が原水スペーサー１ｍ２当たり５，０００、ｙ領域（交点数密度が最も高くなる部分）が原水スペーサー１ｍ２当たり２００，０００、厚さが１．５ｍｍの原水スペーサーＢを用いた以外、前記逆浸透膜モジュールＡと同様の方法で作製した。なお、ｘ領域、ｘｙ領域及びｙ領域の原水の流れ方向における長さ寸法は同一である。
【００３６】
比較例１
スパイラル型膜エレメントＡの代わりに、８インチエレメントＥＳ−１０（日東電工社製）を用いた以外、実施例１と同様の方法で行った。すなわち、濁度２度、導電率２０ｍＳ／ｍの工業用水を、前処理装置で処理することなく直接従来の市販の逆浸透膜モジュールで処理した。その通水差圧の経時的変化を図７に示す。なお、８インチエレメントＥＳ−１０（日東電工社製）は格子の網目状であり、交点数密度は全体に亘り均一であり、交点数は原水スペーサー１ｍ２当たり約１４０，０００、厚さ０．８ｍｍである。
【００３７】
実施例１及び２においては、交点数密度が入口側より原水の流れ方向に沿って増加する特定の原水スペーサーを装着した逆浸透膜モジュールを用いたため、１０００時間経過後から通水差圧が徐々に増加して、２０００時間後、通水差圧は約０．１ＭＰａとなった。一方、比較例１は約８００時間で通水差圧が急激に上昇し、透過水量がゼロになるまで濁質の付着が激しいものであった。このように、通水差圧の上昇速度は実施例の原水スペーサーを用いた逆浸透膜モジュールの方が、比較例のものと比べて遅いことが判る。なお、実施例１、２共に運転時間２０００時間に至るまでの間、フラッシングを行なっていないが、例えば運転１２時間毎に１回の割合でフラッシング（両方向から交互に２回で計６０秒）を行なうことにより、通水差圧が約０．１ＭＰａとなる時間を更に延長することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のスパイラル型膜エレメントによれば、従来の網目状原水スペーサーを装着するスパイラル型分離膜モジュールでは、原水中の濁質が蓄積するのは主に原水スペーサーの入口側であるため、通水差圧の上昇速度が速かった。これに対して本発明は濁質の蓄積が原水スペーサー全体に亘り均一であるため、通水差圧の上昇速度が遅くなる。このため、フラッシングを行なう回数が、通常よりも少なくて済み、その結果濃縮水をブローする時間が短くなると共に、透過水が得られない時間も短くなるため、回収率は向上する。また、本発明の分離膜モジュールによれば、膜モジュールに装着されたスパイラル型膜エレメントの原水スペーサーは原水流入側から濃縮水流出側にかけて必ず漸次増加するか、または断続的に増加しており、前記効果を確実に奏することができる。また、水処理施設内に搬入し易く、且つそのままの形態で処理ラインに装着できる。また、本発明の分離膜装置は、海水の淡水化や、超純水、各種製造プロセス用水を得る場合、工業用水や水道水など逆浸透膜スパイラル型エレメンにとって濁度の高い原水を前処理なしで供給でき、システムの簡略化、設置面積の低減、低コスト化が可能となり、産業上の利用価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態例における原水スペーサーの一部を示す図である。
【図２】（Ａ）は逆浸透膜モジュールの模式図、（Ｂ）及び（Ｃ）は他の実施の形態例における原水スペーサーの一部を示す図である。
【図３】本実施の形態例における逆浸透膜モジュールの構造の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における逆浸透膜装置の一例を示す図である。
【図５】従来の逆浸透膜モジュールの概略図である。
【図６】（Ａ）は従来の網目状の原水スペーサーにおける濁質の蓄積状態を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の符号Ｚ部分の拡大図である。
【図７】実施例及び比較例における通水差圧の経時的変化を示す。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、５５、６０ 原水スペーサー
１１ 第１線材
１２ 第２線材
２０、３９、５０ 逆浸透膜モジュール
２１ａ、２１ｂ、３５ スパイラル型膜エレメント
３０、５４ 透過水集水管
４０ 逆浸透膜装置
４１ 原水供給ポンプ
４２ 原水供給第１配管
４３ 原水供給第２配管
４４ 透過水流出配管
４５ 流れ方向転換用配管
５１、６６ 分離膜
ｐ 第１弁
ｏ 第２弁[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is intended to prevent the accumulation of turbid matter in the vicinity of the inlet of the raw water spacer even if the raw water having a high turbidity is supplied without pre-treatment for a spiral membrane element such as industrial water, and to delay the rise of the water flow differential pressure. And a separation membrane module and a separation membrane device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method for obtaining seawater desalination, ultrapure water, and water for various manufacturing processes, a raw water is formed by using a spiral membrane element having a reverse osmosis membrane (RO membrane) or a nanofiltration membrane (NF membrane) as a permeable membrane. There is known a reverse osmosis membrane method for separating ionic components and low molecular components from water. Spiral type is also used in the ultrafiltration method for separating low-molecular or high-molecular components, the separation of only high-molecular components from low-molecular or high-molecular components, and the microfiltration method for separating fine particles. Membrane elements are used. As illustrated in FIG. 5, one example of a spiral membrane element in a conventionally used reverse osmosis membrane is a bag formed by superposing a reverse osmosis membrane 51 on both surfaces of a permeated water spacer 52 and bonding three sides thereof. The bag-shaped membrane 53 is formed, the opening of the bag-shaped membrane 53 is attached to the permeated water collecting pipe 54, and is spirally wound around the outer peripheral surface of the permeated water collecting pipe 54 together with the mesh-shaped raw water spacer 55. ing. The raw water 56 is supplied from one end face 5a of the spiral membrane element 50, flows along the raw water spacer 55, and is discharged as concentrated water 58 from the other end face 5b of the spiral membrane element 50. In the process of flowing along the raw water spacer 55, the raw water 56 passes through the reverse osmosis membrane 51 to become permeated water 57, which flows into the permeated water collecting pipe 54 along the permeated water spacer 52, and It is discharged from the end of the water collecting pipe 54. In this way, the raw water path is formed by the raw water spacer 55 disposed between the wound bag-like membranes 53.
[0003]
When desalination of seawater, ultrapure water, and water for various production processes are obtained using such a reverse osmosis membrane spiral element, pretreatment is usually performed for the purpose of removing turbidity of raw water. This pretreatment is performed because the thickness of the raw water spacer of the reverse osmosis membrane spiral type element is usually as thin as 1 mm or less in order to make the contact area between the raw water and the reverse osmosis membrane as large as possible while securing the raw water flow path. The quality is accumulated in the raw water spacer in the raw water flow path, and the raw water flow path is easily blocked.Therefore, the turbidity in the raw water is removed in advance to increase the differential water pressure due to turbidity accumulation. This is to avoid a decrease in the amount of permeated water and the quality of permeated water and to perform stable operation for a long period of time. Pretreatment devices used for such a purpose of turbidity include, for example, respective devices such as coagulation sedimentation treatment, filtration treatment and membrane treatment, and their installation increases installation costs and operation costs, There was a problem that a large installation area was required. For this reason, a raw water flow path can be secured with a thin raw water spacer as in the conventional example, a desalination rate comparable to that of the conventional one can be maintained, and if a raw water spacer with a structure that does not accumulate turbidity is developed, industrial water and Tap water can be supplied without pretreatment, and the system can be simplified, the installation area can be reduced, the cost can be reduced, and the industrial utility value is extremely high.
[0004]
On the other hand, various proposals have been made to improve the structure of the conventional grid-like raw water spacer in order to prevent the raw water flow path from being blocked by the turbidity of the spiral membrane element. JP-A-64-47404 discloses a spiral-type membrane element using a raw water spacer having a corrugated shape and a meandering waveform. This raw water spacer having a meandering waveform shape is difficult to mold and, when wound in a spiral shape, has a high possibility of collapsing the flow path, and is not practical.
[0005]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-299770 discloses that a first wire and a second wire are formed in a lattice shape so as to intersect each other, and the first wire or the second wire is disposed in a longitudinal direction of the permeated water collecting pipe. A structure in which a raw water spacer is arranged so as to be parallel to the above is disclosed. According to the raw water spacer having this structure, the raw water flows almost linearly in a direction parallel to the longitudinal direction of the permeated water collecting pipe, so that the pressure loss is low, and the linear velocity of the raw water increases, and the turbidity in the raw water is reduced. On the other hand, it becomes difficult to accumulate, but since the wire existing in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the water collection pipe blocks the flow path of raw water, turbidity accumulates at the intersection of the wire and the wire, and the raw water flow path is also blocked. Will cause.
[0006]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-299947 describes a spiral membrane element using a synthetic resin net having a thickness of 2 mm or more and 5 mm or less as a raw water spacer. Thickening of the raw water spacer prevents accumulation of turbidity. are doing. However, simply increasing the thickness of the raw water spacer cannot expect a great effect in terms of preventing accumulation of turbidity. On the other hand, in the case of a spiral material, there is a problem that the membrane area per element is reduced.
[0007]
On the other hand, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-437, the interval X between two intersections in a direction perpendicular to the axis of the water collection pipe is in the range of 2 to 5 mm, and the interval Y between two intersections in the axis direction of the water collection pipe is 1 of X. A spiral type membrane element using a raw water spacer having a lattice shape of 0.1 to 1.8 times is described. However, the object of the present invention, that is, the purpose of making the lattice-shaped openings have a specific shape, is to diffuse the flow of raw water on the reverse osmosis membrane in the circumferential direction of the element and to increase the thickness of the concentration polarization layer on the reverse osmosis membrane. However, this does not prevent the accumulation of turbid matter in the raw water flow path.
[0008]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-104636 discloses a method of backwashing a reverse osmosis membrane module by supplying a pressurized gas-liquid two-layer flow in a direction opposite to the flow of ordinary raw water. However, this backwashing method is for removing the turbidity attached to the hollow fiber membrane surface of the hollow fiber type reverse osmosis membrane module, not for removing the turbidity attached to the raw water spacer of the spiral type reverse osmosis membrane module. Further, even if such a backwash is applied to a conventional spiral reverse osmosis membrane module, although a certain washing effect is recognized, the turbidity also gradually increases at the intersection of the raw water spacers over a long period of operation. May accumulate.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As shown in FIG. 6, among the raw water spacers proposed in the related art, those having a mesh structure 60 composed of the first wire rod 61 and the second wire rod 62 are all the raw water flow spacers. There is an intersection portion 64 in the road, which causes stagnation of raw water, and accumulation of the turbidity 63 occurs during long-term use, and an increase in the differential pressure of water flow is inevitable. From the viewpoint of forming a flow path without intersections while securing a raw water flow path, a structure formed of only a wire extending linearly or substantially linearly from the inflow side to the outflow side of the raw water Is the most suitable, but it is difficult to industrially manufacture it because it is not a structure for connecting wires. On the other hand, there is a great merit that the pretreatment can be omitted.Therefore, even if some accumulation of turbidity is tolerated while delaying the rise of the water flow differential pressure, it is worthwhile to use, and it has been accumulated. If the suspended matter can be removed by flashing or the like, the use value will be further enhanced.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is that even if raw water having a high turbidity is supplied to a spiral membrane element such as industrial water without pretreatment, turbid substances are unlikely to accumulate in the vicinity of the inlet of the raw water spacer, and the differential pressure of water flow is reduced. An object of the present invention is to provide a spiral membrane element, a separation membrane module, and a separation membrane device that can delay the rise.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Under such circumstances, the present inventors have conducted intensive studies, and as a result, in the spiral membrane element formed by winding a bag-shaped separation membrane on the outer peripheral surface of the permeated water collecting pipe together with the mesh-shaped raw water spacer, suspended matter in the raw water is reduced. It is mainly accumulated on the inlet side of the raw water spacer, that is, by reducing the number density of intersections on the inlet side, that is, the number density of intersections of the wires constituting the mesh gradually increases along the flow direction of the raw water. Or if it increases intermittently, the accumulation of turbidity will be uniform throughout the raw water spacer, and the uniform accumulation of turbidity will result in a differential pressure The present inventors have found that the ascending speed is slow, and have completed the present invention.
[0012]
That is, the present invention (1) is a spiral-type membrane element in which a bag-like separation membrane is wound around an outer peripheral surface of a permeated water collecting pipe together with a mesh raw water spacer, and the raw water spacer constitutes a raw water spacer. An object of the present invention is to provide a spiral-wound membrane element in which the number density of intersections of a wire gradually or intermittently increases along the flow direction of raw water. For example, in a reverse osmosis membrane module equipped with a conventional mesh-like raw water spacer, the turbidity in the raw water accumulates mainly on the inlet side of the raw water spacer, so that the speed of increasing the pressure difference in water flow was high. On the other hand, in the present invention, since the accumulation of the turbidity is uniform over the entire raw water spacer, the rising speed of the water flow differential pressure is reduced. For this reason, the number of times of performing the flushing is smaller than usual, and as a result, the time for blowing the concentrated water is shortened, and the time during which the permeated water is not obtained is also shortened, so that the recovery rate is improved.
[0013]
Also, in the present invention (2), the intersection number density is 50,000 or more and 300,000 or less per 1 m 2 of raw water spacer in a portion where the intersection number density is highest, and the intersection number density is lowest. in part, the raw water spacer 1 m 2 per 500 or more, there is provided the spiral type membrane element is less than 50,000. By adopting such a configuration, it is possible to select and manufacture a suitable appropriate numerical value that is suitable for the use or the use condition.
[0014]
Further, the present invention (3) provides a separation membrane module provided with one spiral membrane element. By adopting such a configuration, the raw water spacer of the spiral membrane element mounted on the separation membrane module always increases gradually or intermittently from the raw water inflow side to the concentrated water outflow side. Can be played. Further, it can be easily carried into a water treatment facility, and can be mounted on a treatment line in the same form.
[0015]
Further, the present invention (4) provides a separation membrane formed by connecting a plurality of spiral membrane elements formed by winding a bag-shaped separation membrane around an outer peripheral surface of a permeated water collecting pipe together with a mesh raw water spacer in a flow direction of raw water. The raw water spacer, wherein the density of intersections of the wires constituting the raw water spacer gradually increases or intermittently increases along the flow direction of the raw water with respect to the separation membrane module. A separation membrane module is provided. By adopting such a configuration, in the plurality of spiral membrane elements mounted on the separation membrane module, whether the number density of intersections of the raw water spacers necessarily increases gradually from the raw water inflow side to the concentrated water outflow side with respect to the separation membrane module. , Or intermittently increases, and the above-described effect can be reliably achieved.
[0016]
In the present invention (5), the intersection number density is 50,000 or more and 300,000 or less per 1 m 2 of raw water spacer in a portion where the intersection number density is highest, and the intersection number density is lowest. in part, the raw water spacer 1 m 2 per 500 or more, there is provided the separation membrane module is less than 50,000. The same effects as those of the invention (2) are also obtained in a separation membrane module in which a plurality of spiral membrane elements are mounted.
[0017]
Further, the present invention (6) provides a separation membrane device including the separation membrane module. By adopting such a configuration, when desalinating seawater, ultrapure water, or water for various production processes, raw water having high turbidity can be supplied without pretreatment for spiral membrane elements such as industrial water or tap water, and the system Therefore, simplification, installation area reduction, and cost reduction are possible, and the industrial utility value is extremely high.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As the mesh-like raw water spacer used in the spiral membrane element of the present invention, the intersection number density of the wires constituting the raw water spacer gradually increases or intermittently increases along the flow direction of the raw water. If there is, there is no particular limitation. In the present invention, the gradual increase in the number of intersections of the wire means that the plurality of first wires 11 and the plurality of second wires 11 move from the raw water inflow side X to the concentrated water outflow side Y as shown in FIG. This means that the number of intersections formed by the wire 12 changes continuously from low density to high density, and that the number density of intersections of the wire intermittently increases means, as shown in FIG. From the inflow side X to the concentrated water outflow side Y, there are a plurality of portions in which the intersection number density of the wire is constant (three regions, x region, xy region, and y region in FIG. 1B). , For example, the intersection number density of the xy region is always lower than the intersection number density of the adjacent concentrated water outflow side Y, that is, in FIG. 1B. Therefore, the number density of intersections in the x region is lower than the number density of intersections in the xy region. 1A and 1B have the same intersection number density in the direction perpendicular to the flow direction of the raw water. In both FIGS. 1A and 1B, a small portion immediately after the raw water inflow side (5 to 10% of the total length L of the raw water spacer) is preferably a low density region having the same number of intersections.
[0019]
The number of intersections density in the portion where the intersection number density is the highest, the raw water spacer 1 m 2 per 50,000, 300,000 or less, preferably 1 m 2 per 50,000 or more and 200,000 or less. When the intersection number density is less than 50,000, the turbulence effect is insufficient, and the water quality is extremely lowered. If the number of intersections exceeds 300,000, the pressure difference in water passage will increase extremely, making it difficult to manufacture a spacer having a predetermined thickness. When the intersection number density gradually increases as shown in FIG. 1 (A), the portion where the intersection number density is highest is 5% of the total length L (raw water flow direction) of the raw water spacer from the end on the concentrated water outflow side. Or 10% equivalent area. Further, in a portion where the number of intersections density is lowest, the raw water spacer 1 m 2 per 500 or more and less than 50,000, preferably 1 m 2 per 500 or more and less than 20,000. If it is less than 500, the raw water flow path cannot be sufficiently secured. On the other hand, if it is 50,000 or more, in addition to the fact that the concentrated water outflow side of the element has a high density, the pressure difference in water passage increases extremely and the accumulation of turbid matter on the inlet side becomes remarkable. When the intersection number density gradually increases as shown in FIG. 1 (A), the portion where the intersection number density becomes the lowest is 5 to 5 of the total length L (raw water flow direction) of the raw water spacer from the raw water inflow side end. It refers to an area equivalent to 10%.
[0020]
The shape of the mesh of the raw water spacer used in the present invention is not particularly limited, and includes a rhombus, a square, a hexagon, an ellipse, a waveform, and the like, and the crossing form of the wires is not particularly limited, and the wire is not particularly limited. Examples include a form in which they are joined without weaving, a cross form by plain weave, and a cross form by twill weave. In the present invention, the intersection refers to a point where the first wire 11 and the second wire 12 intersect. For example, as in the case where the first wire 11 and the second wire 12 are corrugated, the first wire and the second wire 12 are crossed. It may have a portion where the two wires slightly overlap. The cross-sectional shapes of the first wire and the second wire are not particularly limited, but include, for example, a circle, a triangle, and a square. The first wire and the second wire have the same dimensions and the same cross-sectional shape.
[0021]
The thickness of the raw water spacer is the sum of the diameter of the first wire and the diameter of the second wire, or is slightly thinner, and is 0.4 to 3.0 mm, preferably less than 0.5 to 2 mm. Range. If the thickness is less than 0.4 mm, the pressure difference in water passage will increase, and turbidity will easily accumulate regardless of the number density of intersections. On the other hand, when the thickness exceeds 3.0 mm, the film area per element becomes too small in the case of a spiral shape. Further, the material of the raw water spacer is not particularly limited, but polypropylene and polyethylene are preferable in terms of moldability and cost. The method for producing the raw water spacer is not particularly limited, and a known method can be applied. However, the extrusion molding method is preferable from the viewpoint of cost and precision.
[0022]
The spiral membrane element of the present invention is obtained by winding a bag-shaped separation membrane around the outer peripheral surface of a permeated water collecting pipe together with the mesh raw water spacer. The winding may be performed by winding one bag-shaped separation membrane or by winding a plurality of bag-shaped separation membranes. The spiral type membrane element of the present invention can be used for a membrane separation device such as a microfiltration device, an ultrafiltration device and a reverse osmosis membrane separation device. Examples of the reverse osmosis membrane include a normal reverse osmosis membrane having a high removal rate of 90% or more with respect to sodium chloride in saline, and a nanofiltration membrane or a loose reverse osmosis membrane having a low desalination rate. Although the nanofiltration membrane and the loose reverse osmosis membrane have desalination performance, they have lower desalination performance than ordinary reverse osmosis membranes, and particularly have a performance of separating hard components such as Ca and Mg. Note that the nanofiltration membrane and the loose reverse osmosis membrane are sometimes referred to as NF membranes.
[0023]
A reverse osmosis membrane module, which is an example of the separation membrane module of the present invention, includes a reverse osmosis membrane module according to the first embodiment having one spiral type membrane element and a plurality of spiral type membrane elements connected in the flow direction of raw water. There are two types of reverse osmosis membrane modules according to the second embodiment. The raw water spacer used for the reverse osmosis membrane module according to the first embodiment is the same as that described above. On the other hand, in the plurality of raw water spacers in the second embodiment, the intersection number density of the wires constituting the raw water spacer is gradually increased along the flow direction of the raw water or intermittently based on the reverse osmosis membrane module. Is to increase. Hereinafter, only the difference between the raw water spacer of the reverse osmosis membrane module according to the second embodiment and the raw water spacer of the reverse osmosis membrane module according to the first embodiment will be described. The state of the change in the number density of intersections of the raw water spacers in the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a schematic diagram of a reverse osmosis membrane module in which two spiral membrane elements are connected in the flow direction of raw water, and FIGS. 2B and 2C are schematic diagrams of a raw water spacer used in the element. is there. In FIG. 2, the reverse osmosis membrane module 20 has spiral type membrane elements 21a and 21b connected and attached from the raw water inflow side X, and the raw water spacers used in the spiral type membrane element 21a are (B) and (C). The raw water spacer used in the spiral membrane element 21b is shown on the right side in FIGS. 3B and 3C. In other words, the configuration of FIG. 2B is an example of a structure that gradually increases along the flow direction of the raw water as a reverse osmosis membrane module reference, and the configuration of FIG. Along the line, it is an example of an intermittent increase.
[0024]
In FIG. 2 (B), the raw water spacer 1a of the spiral membrane element 21a and the raw water spacer 1b of the spiral membrane element 21b are arranged like a raw water spacer that is continuous from the raw water inflow side X to the concentrated water outflow side Y. , The number of intersections formed by the plurality of first wires 11 and the plurality of second wires 12 continuously changes from a low density to a high density. In FIG. 2C showing another variation of the intersection number density, the raw water spacer 1a of the spiral type membrane element 21a has a constant and low density of the number of intersections of the wire, and the raw water spacer of the spiral type membrane element 21b. 1b has a constant and high density of the number of intersections of the wire. In the raw water spacers 1a and 1b in FIG. 2C, there may be a plurality of portions in a region where the number density of intersections of wires is constant. In this case, the number density of intersections in the region on the raw water inflow side X is always lower than the number density of intersections in the region on the adjacent concentrated water outflow side Y. In the raw water spacer of the reverse osmosis membrane module according to the second embodiment, the specific numerical values of the portion where the number of intersections is highest and the lowest are the same as the numerical range of the raw water spacer according to the first embodiment. However, when the number density of intersections gradually increases, the portion where the number density of intersections becomes highest is 5 to 10 times the total length (raw water flow direction) of a plurality of raw water spacers from the end on the concentrated water outflow side. %, And the portion having the lowest intersection number density is a region equivalent to 5 to 10% of the total length (raw water flow direction) of a plurality of raw water spacers from the end on the raw water inflow side.
[0025]
As the reverse osmosis membrane module according to the second embodiment of the present invention, for example, a reverse osmosis membrane module having a structure shown in FIG. 3 is exemplified. As shown in FIG. 3, a bag-like reverse osmosis membrane 31 is spirally wound around an outer peripheral surface of the permeated water collecting pipe 30 together with a raw water spacer, and the upper part thereof is covered with an exterior body 32. In order to prevent the reverse osmosis membrane 31 wound in a spiral form from protruding, a telescope stop 34 having several radial ribs 33 is attached to both ends. One spiral type membrane element 35 is formed by the permeated water collecting pipe 30, the reverse osmosis membrane 31, the exterior body 32, and the telescope stop 34, and each of the permeated water collecting pipes 30 is connected by a connector (not shown). Then, a plurality of spiral membrane elements 35 are loaded in the housing 36. A gap 37 is formed between the outer circumference of the spiral membrane element 35 and the inner circumference of the housing 36, and the gap 37 is closed by a brine seal 38. At one end of the housing 36, a raw water inflow pipe (not shown) for flowing raw water into the housing, and at the other end, a treated water pipe (not shown) and a non-permeated water pipe (not shown) communicating with the permeated water collecting pipe 30. (Not shown), and a reverse osmosis membrane module 39 is constituted by the housing 36, its internal components, pipes (nozzles), and the like.
[0026]
When the raw water is treated by the reverse osmosis membrane module 39 having such a structure, the raw water is press-fitted from one end of the housing 36 by using a pump, but as shown by an arrow in FIG. The raw water passes between the radial ribs 33 and penetrates into the first spiral membrane element 35, and a part of the raw water passes through the raw water flow path defined by the raw water spacer between the membranes of the spiral membrane element 35, and the next raw water flows. The raw water in the other part reaches the spiral membrane element 35 and passes through the reverse osmosis membrane 31 to become permeated water, which is collected in the permeated water collecting pipe 30. In this way, the raw water passes through the spiral membrane element 35 one after another, and the raw water that has not passed through the reverse osmosis membrane is taken out from the other end of the housing 36 as concentrated water containing turbid and ionic impurities at a high concentration, The permeated water that has passed through the reverse osmosis membrane is taken out of the housing 36 through the permeated water collecting pipe 30 as permeated water.
[0027]
A reverse osmosis membrane device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart of the reverse osmosis membrane device of this example. In FIG. 4, the reverse osmosis membrane device 40 includes a raw water supply first pipe 42 connecting the raw water supply pump 41 and the first valve p, and a reverse osmosis membrane module 40A in which the number density of intersections between the first valve p and the present invention increases. , A raw water supply second pipe 43, a reverse osmosis membrane module 40A, a permeate discharge pipe 44 having a valve s connected to the permeate side of the reverse osmosis membrane module 40A, and a raw water supply first pipe 42. The concentrated water outflow second branch pipe 451 connecting the concentrated water outflow side of the osmosis membrane module 40A and the flow direction changing pipe 45 having the second valve o, and the raw water supply second pipe 43 are branched from each other to change the flow direction of the raw water. A concentrated water outflow second branch pipe 421 having a valve q through which the concentrated water flows in the reverse direction. Furthermore, a blow pipe 422 having a valve r in the middle of the concentrated water outflow second branch pipe 451 and a valve n branched from the raw water supply first pipe 42 on the discharge side of the raw water supply pump 41 is provided. Raw water directly supplied to the reverse osmosis membrane device 40 of this example includes industrial water, tap water, and recovered water. The turbidity of the raw water is not particularly limited, but even if the turbidity is about 2 degrees, the pressure difference in passing water does not increase in a short time. In addition, when the raw water contains coarse particles such as sand particles in the raw water, the raw water includes treated water that has been passed through a coarse filter or a dispersant added to prevent scale and fouling in advance. By adding the dispersant, accumulation of turbidity on the raw water spacer and the membrane surface can be further suppressed. Examples of the dispersant include commercially available “hypersperse MSI300” and “hypersperse MDC200” (both manufactured by ARGO SCIENTIFIC). According to the reverse osmosis membrane device of the present invention, it is possible to omit the installation of a pretreatment device such as a coagulation sedimentation process, a filtration process and a membrane process, which has been conventionally used for removing suspended matter in raw water. For this reason, there is an epoch-making effect in that the system can be simplified, the installation area can be reduced, and the cost can be reduced.
[0028]
Next, a method of treating raw water using the reverse osmosis membrane device 40 of the present example will be described. First, the second valve o, the valves q and n are closed, the valve r is adjusted so as to have a predetermined pressure in the module, and the first valve p and the valve s are opened. Raw water is supplied to the reverse osmosis membrane module 40A by a raw water supply pump 41. Raw water is treated by the reverse osmosis membrane module 40A, and concentrated water is obtained from the concentrated water outflow first branch pipe 451 and permeated water is obtained from the permeated water outflow pipe 44. In this raw water treatment, since the raw water spacer attached to the element has a low intersection number density on the inlet side as described above, suspended substances such as turbid substances in the raw water are concentrated not only on the inlet side but also in the central part and in the concentrated part. Also accumulates on the water discharge side. Usually, in the raw water spacer where the intersection number density is the same in all parts, the accumulation of turbidity on the inlet side is remarkable, and thus increasing the intersection number density along the flow direction of the raw water allows The accumulation of turbidity is homogenized throughout the spacer.
[0029]
If such an operation is continued, the accumulation of turbidity becomes remarkable even at a low speed, and the pressure difference in water passage increases. In such a case, the processing operation of the raw water is stopped, and the flushing step is performed. To stop the raw water treatment operation, it is preferable to first release the pressure on the raw water supply side. The pressure is released by opening the valve n. In this case, the valve s on the permeated water side is kept open. When the pressure on the raw water supply side is released, the pressure that has pressed down on the membrane surface is released, so that the membrane slightly floats, and the suspended matter accumulated on the membrane surface and the raw water spacer can be floated. The method of releasing the pressure is not particularly limited, but the valve is fully opened instantaneously, preferably within one second. Momentarily releasing the pressure makes it easier to float the membrane, and can also be expected to remove the turbidity due to the water hammer action. As a method for releasing the pressure, a valve q attached to the concentrated water outflow second branch pipe 421 can be used. As described above, when the pressure is released from the valve q, the blow pipe 422 and the valve n can be omitted. Also, the valve s on the permeated water side is opened because, when the valve s is closed, the transmembrane pressure is lost and the force holding down the membrane is lost, so even if the pressure on the raw water supply side is released, This is because the film does not float. After the pressure on the raw water supply side is released, the valve n, the first valve p, the valves s and r are closed, and the second valves o and q are opened. Then, raw water having a flow rate of about three times the raw water supply flow rate in the permeation treatment is rapidly supplied from the concentrated water outflow side into the reverse osmosis membrane module. By this flushing, the suspended matter uniformly accumulated over the entire raw water spacer is easily peeled and is efficiently discharged out of the element. When flushing in the same direction as the flow of raw water that was flowing just before, many turbidity is removed, but the turbidity accumulated at the intersection is pressed more and adheres firmly to the intersection . If the state of strong attachment continues for a long time, it cannot be removed by physical means any more, which is not preferable.
[0030]
It is preferable that the flushing is performed twice or more and five times or less alternately from both directions. If the number of times of flushing is one, the flushing is performed only in one direction, the cleaning effect is not sufficient, and turbidity accumulates with time. On the other hand, if it exceeds five times, more water is drained, which leads to a reduction in the recovery rate. The time per flushing is not particularly limited, but is preferably 30 seconds to 120 seconds. If the time is less than 30 seconds, the cleaning effect is insufficient. If the time exceeds 120 seconds, the blow time is long, and the recovery rate is greatly reduced. Further, at the time of flushing, compressed air may be supplied into raw water. By mixing the compressed air into the raw water, the cleaning efficiency is further improved. Although the supply amount of the compressed air is not particularly limited, it is preferable that the volume ratio between the raw water and the air is 2: 1 to 1: 2.
[0031]
After performing the flushing for a predetermined time, the raw water is treated again. In this case, the flow direction of the raw water is the same as the flow direction of the raw water flowing immediately before the flushing step. That is, the second valve o, the valves q and n are closed, the valve r is adjusted to have a predetermined pressure inside the module, the first valve p and the valve s are opened, and the raw water is treated by the reverse osmosis membrane module 40A. Is done. Thus, the raw water treatment → flushing → raw water treatment → flushing is sequentially repeated. The raw water treatment time is 1 hour to 24 hours, preferably 1 hour to 12 hours. If the raw water treatment time is less than one hour, the number of times of switching of the switching valve increases, which extremely shortens the life of the switching valve and decreases the recovery rate. On the other hand, if the time exceeds 24 hours, the effect of removing accumulated turbidity is reduced. As a mode of switching from the raw water treatment to the flushing, there are a method of changing the flow direction after the same time has elapsed each time, a method of changing the flow when a predetermined pressure difference has been reached, and a method of changing both in combination.
[0032]
Further, in the reverse osmosis membrane device of the present example, a rear-stage reverse osmosis membrane module for further processing the permeated water of the reverse osmosis membrane module 40A may be disposed downstream of the reverse osmosis membrane module 40A (not shown). In this case, it is preferable that the post-stage reverse osmosis membrane module is provided with a return pipe for returning the concentrated water before the raw water supply pump. In such an apparatus form, the first-stage reverse osmosis membrane module 40A is a reverse osmosis membrane apparatus according to the present invention, and the second-stage reverse osmosis membrane module is a conventional reverse osmosis membrane apparatus. In such a reverse osmosis membrane device, the primary permeated water obtained in the first-stage reverse osmosis membrane module 40A is treated in the second-stage reverse osmosis membrane module to obtain the second permeated water from the permeated water outlet pipe and the second concentrated water. Is returned from the return pipe before the raw water supply pump. This secondary concentrated water is obtained by concentrating the permeated water already desalted in the first-stage reverse osmosis membrane module 40A in the second-stage reverse osmosis membrane module, and has a lower conductivity than the raw water. For this reason, it becomes possible to circulate the whole amount of the secondary concentrated water, and it is possible to improve the water recovery rate. Further, the reverse osmosis membrane device is a reverse osmosis membrane in which the turbidity removal according to the present invention can be easily performed by the flushing instead of the pretreatment device used only for the turbidity removal used in the conventional type device. Since the module is used in the first stage, the reverse osmosis membrane is substantially used in two stages. Since the pretreatment device in the conventional apparatus does not have a desalination function, the reverse osmosis membrane apparatus has much better quality of permeated water than the conventional reverse osmosis membrane apparatus.
[0033]
【Example】
Example 1
Industrial water having a turbidity of 2 degrees and a conductivity of 20 mS / m was passed through a reverse osmosis membrane module A having the following specifications, and a 2,000-hour endurance operation was performed under the following operating conditions. The performance evaluation of the reverse osmosis membrane module A was performed by measuring a water passage pressure difference (MPa) that changes with time. FIG. 7 shows the result.
[0034]
(Reverse osmosis membrane module A)
As shown in FIG. 1 (A), the number of intersections gradually increases along the flow direction of the raw water. The intersection number density is 200,000 per 1 m 2 of the raw water spacer. partial raw water spacer 1 m 2 per 1,000 density is lowest, thickness was produced raw water spacer a of 1.0 mm. Next, a spiral membrane element A was produced using the raw water spacer A, and a reverse osmosis membrane module A having a structure as shown in FIG. 3 was produced. However, the reverse osmosis membrane module A was one module containing one spiral membrane element.
(Operating conditions)
The operating pressure is 0.75 MPa, the flow rate of the concentrated water is 2.7 m 3 / hour, and the water temperature is 25 ° C.
[0035]
Example 2
Except for using the reverse osmosis membrane module B having the following specifications in place of the reverse osmosis membrane module A, a 2,000-hour endurance operation was performed in the same operation method as in Example 1. The performance evaluation of the reverse osmosis membrane module B was performed by measuring the water passage differential pressure (MPa) that changes over time, as in Example 1. FIG. 7 shows the result.
(Reverse osmosis membrane module B)
Instead of the raw water spacer A, it is a mesh shape in which the number of intersections shown in FIG. 1 (B) increases intermittently, and the number of intersections is x region (the portion where the number of intersections is lowest) per 1 m 2 of raw water spacer. use 1,000, xy region raw water spacer 1 m 2 per 5,000, y region (becomes highest portion intersection number density) of the raw water spacer 1 m 2 per 200,000, thickness raw water spacer B of 1.5mm The module was produced in the same manner as in the reverse osmosis membrane module A except for the above. The lengths of the x region, the xy region, and the y region in the flow direction of the raw water are the same.
[0036]
Comparative Example 1
The procedure was performed in the same manner as in Example 1 except that an 8-inch element ES-10 (manufactured by Nitto Denko Corporation) was used instead of the spiral membrane element A. That is, industrial water having a turbidity of 2 degrees and a conductivity of 20 mS / m was directly treated with a conventional commercially available reverse osmosis membrane module without treating with a pretreatment device. FIG. 7 shows the time-dependent change of the water flow differential pressure. The 8-inch element ES-10 (manufactured by Nitto Denko Corporation) has a lattice network, the number of intersections is uniform throughout, and the number of intersections is about 140,000 per 1 m 2 of raw water spacer and the thickness is 0.1 mm. 8 mm.
[0037]
In Examples 1 and 2, since the reverse osmosis membrane module equipped with a specific raw water spacer in which the number density of intersections increased along the flow direction of raw water from the inlet side was used, the water flow differential pressure gradually increased after 1000 hours. After 2000 hours, the pressure difference in water flow became about 0.1 MPa. On the other hand, in Comparative Example 1, the water pressure difference rapidly increased in about 800 hours, and the adhesion of turbid matter was severe until the amount of permeated water became zero. Thus, it can be seen that the rate of increase of the pressure difference is lower in the reverse osmosis membrane module using the raw water spacer of the example than in the comparative example. In both Examples 1 and 2, flushing was not performed until the operation time reached 2,000 hours. For example, flushing was performed once every 12 hours of operation (two times alternately from both directions for a total of 60 seconds). By doing so, it is possible to further extend the time during which the water flow differential pressure becomes about 0.1 MPa.
[0038]
【The invention's effect】
According to the spiral-type membrane element of the present invention, in the conventional spiral-type separation membrane module equipped with a mesh-like raw water spacer, turbidity in raw water accumulates mainly on the inlet side of the raw water spacer. The rate of rise of the differential pressure was high. On the other hand, in the present invention, since the accumulation of the turbidity is uniform over the entire raw water spacer, the rising speed of the water flow differential pressure is reduced. For this reason, the number of times of performing flushing is smaller than usual, and as a result, the time for blowing concentrated water is shortened and the time during which permeated water is not obtained is also shortened, so that the recovery rate is improved. According to the separation membrane module of the present invention, the raw water spacer of the spiral membrane element mounted on the membrane module always gradually increases from the raw water inflow side to the concentrated water outflow side, or increases intermittently, The above effects can be reliably achieved. Further, it can be easily carried into a water treatment facility, and can be mounted on a treatment line in the same form. Further, the separation membrane device of the present invention, desalination of seawater, ultrapure water, when obtaining water for various manufacturing processes, without pretreatment of high turbidity raw water for reverse osmosis membrane spiral element such as industrial water or tap water , The system can be simplified, the installation area can be reduced, the cost can be reduced, and the industrial utility value is extremely high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a part of a raw water spacer in an embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a schematic view of a reverse osmosis membrane module, and FIGS. 2B and 2C are views showing a part of a raw water spacer according to another embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the structure of a reverse osmosis membrane module according to the present embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a reverse osmosis membrane device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of a conventional reverse osmosis membrane module.
FIG. 6A is a diagram showing a state of accumulation of turbidity in a conventional mesh-like raw water spacer, and FIG. 6B is an enlarged view of a portion Z in FIG.
FIG. 7 shows a change with time of a water passage pressure difference in Examples and Comparative Examples.
[Explanation of symbols]
1, 1a, 1b, 55, 60 Raw water spacer 11 First wire 12 Second wire 20, 39, 50 Reverse osmosis membrane module 21a, 21b, 35 Spiral type membrane element 30, 54 Permeated water collecting pipe 40 Reverse osmosis membrane device 41 Raw water supply pump 42 Raw water supply first pipe 43 Raw water supply second pipe 44 Permeated water outlet pipe 45 Flow direction changing pipes 51, 66 Separation membrane p First valve o Second valve